IBMs kvante-supercomputer med 4.000 qubits kan ændre computing for altid

• IBM planlægger en kvante-supercomputer med over 4.000 qubits inden 2025, opnået ved at sammenkoble tre 1.386-qubit Kookaburra-chips til et system med 4.158 qubits.
• Den modulære Quantum System Two-platform, der blev lanceret i 2023, er designet til at huse flere chips og har et kryogent køleskab samt avanceret styreelektronik.
• I slutningen af 2023 tændte IBM for det første Quantum System Two, der kørte tre 133-qubit Heron-processorer parallelt.
• Ved udgangen af 2025 har IBM til hensigt at huse tre Kookaburra-chips på System Two og skabe én maskine med 4.158 qubits.
• IBM bruger kortdistance chip-til-chip koblere og kryogene forbindelser til at forbinde chips til et samlet beregningsnetværk.
• Virksomheden kalder tilgangen kvantecentrisk supercomputing, hvor QPU’er flettes sammen med CPU’er og GPU’er i et samlet beregningsnetværk.
• Qiskit Runtime og circuit knitting gør det muligt for udviklere at køre store kvantearbejdsbelastninger på tværs af flere chips med indbygget fejlafhjælpning.
• Systemet med over 4.000 qubits vil operere i NISQ-regimet i 2025 og vil være afhængig af fejlafhjælpning frem for fuld kvantefejlkorrektion.
• Eksperter vurderer, at det vil kræve omkring 4.000 fejlkorrigerede logiske qubits at bryde RSA-2048, hvilket sandsynligvis svarer til millioner af fysiske qubits.
• Konkurrenter inkluderer Google, der sigter mod fejltolerant kvantecomputing inden 2029, IonQ, der forfølger algoritmiske qubits, Quantinuum med fokus på høj fidelitet og fejltolerance, samt D-Wave, der tilbyder et annealingsystem med over 5.000 qubits.

IBM står på tærsklen til et gennembrud inden for kvantecomputing: en “kvante-supercomputer” med over 4.000 qubits inden 2025. Teknologigigantens ambitiøse plan – en del af en større kvantestrategi – lover at revolutionere computing ved at løse problemer, som selv de hurtigste supercomputere i dag ikke kan håndtere. I denne rapport gennemgår vi IBMs kvante-rejse, designet af deres 4.000+ qubit-system, ekspertindsigter (og hype), hvordan det sammenlignes med rivaler som Google og IonQ, og hvad en 4.000-qubit maskine kan betyde for verden.

Baggrund: IBMs jagt på kvantecomputing

IBM har været pioner inden for kvantecomputing, og har ført an i både hardware- og softwareudvikling. Allerede i 2020 lagde IBM en kvante-roadmap og har nået hver milepæl siden. De demonstrerede 127‑qubit Eagle-processoren i 2021 – en chip så kompleks, at dens kredsløb “ikke kan simuleres nøjagtigt på en klassisk computer” insidehpc.com. I 2022 introducerede IBM 433‑qubit Osprey-chippen, et stort spring fra Eagle i antal qubits techmonitor.ai. Senest, i slutningen af 2023, nåede IBM 1.121‑qubit-mærket med deres Condor-processor – den første kvanteprocessor, der bryder tusind-qubit-grænsentomorrowdesk.com. Hver af disse fremskridt har lagt afgørende grundlag for at skalere op til tusindvis af qubits.

Men IBMs strategi handler ikke kun om at stable flere qubits ovenpå hinanden. Virksomheden lægger vægt på en fuld-stack tilgang: robust kvantehardware, intelligent kvantesoftware og et bredt økosystem af brugere og partnere newsroom.ibm.com, insidehpc.com. I 2016 lagde IBM den første kvantecomputer i skyen til offentlig brug, og i dag er over 200 organisationer og 450.000 brugere forbundet til IBMs kvantetjenester via skyen techmonitor.ai. IBMs software-rammeværk (Qiskit) og Qiskit Runtime-miljøet gør det muligt for udviklere at køre kvanteprogrammer effektivt, med indbyggede værktøjer til at afbøde fejl og orkestrere hybride kvante-klassiske arbejdsbelastninger newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Denne tætte integration af hardware og software – sammen med et netværk af akademiske og industrielle samarbejdspartnere – er central for IBMs bredere mål: at bringe brugbar kvantecomputing ud i verden, ikke kun laboratoriedemonstrationer.

IBM kalder gerne denne vision “kvantecentrisk supercomputing.” Ideen er til sidst at flette kvanteprocessorer (QPU’er) sammen med klassiske CPU’er og GPU’er i et sømløst computerstof insidehpc.com. Ligesom nyere supercomputere kombinerer CPU’er og AI-acceleratorer for at håndtere AI-arbejdsbelastninger, ser IBM fremtidens supercomputere kombinere kvante- og klassiske motorer for at løse problemer, som ingen af dem kunne løse alene insidehpc.com. Med Dr. Jay Gambettas ord, IBMs vicepræsident for kvante, “Nu indleder IBM æraen for den kvantecentriske supercomputer, hvor kvanteressourcer – QPU’er – vil blive flettet sammen med CPU’er og GPU’er i et computerstof”, med det formål at løse “de sværeste problemer” inden for videnskab og industri insidehpc.com. Det er en dristig vision, der rækker ud over blot at lave en hurtigere computer; det handler om at ændre selve formen for computing.

Design af en kvante-supercomputer med over 4.000 qubits

Hvordan bygger man en kvantecomputer med over 4.000 qubits? IBMs svar: modularitet. I stedet for én stor chip forbinder IBM flere mindre kvantechips i ét system – lidt ligesom at forbinde noder i en supercomputer. Virksomhedens næste generations platform, kaldet IBM Quantum System Two, er specifikt designet til dette. System Two, der blev lanceret i 2023, er IBMs første modulære kvantecomputersystem, med et avanceret kryogent køleskab og styreelektronik, der kan understøtte flere kvanteprocessorer samtidigt techmonitor.ai, newsroom.ibm.com. Det er det fysiske “hus”, der skal huse IBMs kommende flåde af forbundne chips, alle nedkølet til tæt på det absolutte nulpunkt. Ved at kombinere chips kan IBM hurtigt skalere antallet af qubits op uden at skulle fremstille umuligt store enkeltchips – en tilgang, der er afgørende for at springe fra hundreder til tusinder af qubits.

Figur: IBMs vision for en kvante-supercomputer er at forbinde flere kvantechips i ét system. I 2025 planlægger IBM at introducere “Kookaburra”, en 1.386-qubit processor med kvantekommunikationsforbindelser; tre Kookaburra-chips kan forbindes til et enkelt 4.158-qubit system ibm.com. Denne modulære arkitektur gør det muligt for IBM at skalere til tusindvis af qubits ved at netværke mindre processorer i stedet for at være afhængig af én stor chip.

Hjertet i IBMs 4.000-qubit-plan er dens kommende familie af processorer med fugle-kodenavne. I 2024 forventes IBM at lancere “Flamingo,” en 462‑qubit chip designet til at teste kvantekommunikation mellem chips ibm.com. IBM planlægger at demonstrere Flamingos design ved at forbinde tre Flamingo-processorer til ét 1.386‑qubit-system – hvilket i bund og grund viser, at flere chips kan arbejde sammen, som om de var én ibm.com. Så kommer den store: I 2025 vil IBM afsløre “Kookaburra”, en 1.386‑qubit-processor bygget til modulær skalering ibm.com. Takket være indbyggede kommunikationsforbindelser kan tre Kookaburra-chips sammenkobles til én maskine med 4.158 qubits ibm.com. Ifølge IBM bliver dette den første kvante-centriske supercomputer, der bryder 4.000-qubit-mærket.

Hvordan ser denne arkitektur så ud? Grundlæggende bruger IBM kortdistance chip-til-chip koblere og kryogene forbindelser til at forbinde qubits på tværs af forskellige chips spectrum.ieee.org. Tænk på hver chip som en “flise” af qubits; koblere gør det muligt for tilstødende fliser at dele kvanteinformation, og specielle mikrobølgeledninger kan forbinde chips, der ligger lidt længere fra hinanden spectrum.ieee.org. Udfordringen er at få qubits på separate chips til at opføre sig næsten, som om de er på samme chip – ikke nogen let opgave, da kvantetilstande er skrøbelige. IBM har udviklet ny koblerteknologi for at holde sammenfiltrede qubits koherente mellem chips tomorrowdesk.com. System Two leverer det ultra-kolde, vibrationsfri miljø og en fleksibel ledningsopsætning til at rumme disse multi-chip-netværk techmonitor.ai. Det hele styres af et “intelligent” kontrol-lag (software og klassisk computerkraft), der dirigerer kvanteoperationer på tværs af de forskellige chips, så de arbejder sammen insidehpc.com.

IBMs tidsplan lægger op til, at systemet med over 4.000 qubits skal være operationelt engang i 2025 techmonitor.ai. Faktisk er de første dele allerede på plads. I slutningen af 2023, ved IBM Quantum Summit, tændte IBM for det første Quantum System Two, der kørte tre mindre 133-qubit “Heron”-processorer parallelt newsroom.ibm.com. Dette fungerede som en prototype: Heron er en relativt lav-qubit chip, men med markant forbedrede fejlrater, og IBM brugte System Two til at vise, at det kan drive flere processorer sammen som ét samlet system newsroom.ibm.com. I løbet af det næste år eller to vil IBM skalere dette op – udskifte til større chips (som Flamingo og derefter Kookaburra) og forbinde flere af dem. Målet er, at ved udgangen af 2025 vil IBM Quantum System Two huse tre Kookaburra-chips og dermed >4.000 forbundne qubits i én maskine techmonitor.ai. Ser man endnu længere frem, forestiller IBM sig endda at forbinde flere System Two-enheder: for eksempel kunne tre sådanne systemer give et klynge på over 16.000 qubits i fremtiden techmonitor.ai. Med andre ord er 4.000 qubits ikke målet i sig selv – det er et trin på vejen mod endnu større kvantemaskiner, bygget ved at netværke moduler sammen, ligesom klassiske supercomputere skaleres ud med flere noder.

IBMs vision: Indsigter fra kvanteledere

IBMs kvanteteam er forståeligt nok begejstrede – og optimistiske – over, hvad dette spring til 4.000 qubits betyder. IBMs forskningsdirektør, Dr. Darío Gil, har ofte talt om at nå en ny æra for praktisk kvantecomputing. “At gennemføre vores vision har givet os klar indsigt i kvantens fremtid og hvad der skal til for at bringe os ind i den praktiske kvantecomputing-æra,” sagde Gil, da IBM udvidede sin køreplan newsroom.ibm.com. Med målet om 4.000+ qubits i sigte beskrev han det som begyndelsen på “en æra med kvantecentriske supercomputere, der vil åbne op for store og kraftfulde beregningsrum” for udviklere, partnere og kunder newsroom.ibm.com. Med andre ord ser IBM dette som begyndelsen på kvantecomputere, der ikke blot er laboratorieforsøg, men kraftfulde værktøjer til brug i den virkelige verden.

Jay Gambetta, IBM Fellow og VP for Quantum, har kaldt 2023 et vigtigt vendepunkt – øjeblikket hvor det kvantecentriske supercomputer-koncept blev til virkelighed i prototypeform techmonitor.ai. Ifølge Gambetta er det ikke nok blot at have flere qubits; “kvantecentrisk supercomputing vil kræve mere end bare mange qubits”, forklarede han – det kræver også større kredsløbsdybde og tæt integration med klassiske systemer techmonitor.ai. Dette afspejler IBMs fokus på kvaliteten af qubits og den sømløse sammensmeltning af kvante- og klassisk computing. “Vores mission er at bringe brugbar kvantecomputing til verden,” sagde Gambetta. “Vi vil fortsætte med at levere det bedste fuld-stack kvantetilbud i branchen — og det er op til branchen at tage disse … systemer i brug” techmonitor.ai. Budskabet er: IBM leverer hardware og software, og de forventer, at virksomheder og forskere begynder at gøre en reel forskel med det.

Ved Quantum Summit 2023 slog IBMs team en optimistisk tone an om teknologiens modenhed. “Vi befinder os nu solidt i en æra, hvor kvantecomputere bruges som et værktøj til at udforske nye grænser inden for videnskab,” bemærkede Dr. Darío Gil og påpegede, at kvantemaskiner ikke længere blot er kuriositeter newsroom.ibm.com. Han fremhævede IBMs fremskridt med at skalere disse systemer gennem modulært design og lovede at “forbedre kvaliteten af en kvanteteknologisk stak i brugbar skala yderligere – og give den i hænderne på vores brugere og partnere, som vil skubbe grænserne for mere komplekse problemer” newsroom.ibm.com. Kort sagt, i takt med at IBM opskalerer antallet af qubits, arbejder de også på at forbedre qubit-fidelitet og software-“intelligens”, så de tusindvis af qubits rent faktisk kan udføre nyttigt arbejde på komplekse problemer.

IBM bruger endda en levende metafor for det kommende skifte. Virksomheden sammenligner overgangen fra nutidens spæde kvantecomputere til kvantesupercomputeren i 2025 med “at erstatte papirkort med GPS-satellitter” i navigation ibm.com. Det er et billedrigt udtryk: kvantesupercomputere kunne guide os gennem beregningsmæssige problemer på en fundamentalt ny måde, ligesom GPS revolutionerede, hvordan vi finder vej. Om virkeligheden vil matche IBMs optimisme, må tiden vise, men der er ingen tvivl om, at IBMs førende eksperter mener, de står på tærsklen til noget stort.

Hvad eksperterne siger: Hype og realitetstjek

IBMs 4.000-qubit-udmelding har skabt masser af opmærksomhed, men eksterne eksperter minder os ofte om at holde forventningerne realistiske. Et centralt punkt, de fremhæver: flere qubits alene garanterer ikke brugbare resultater. Dagens kvantebits er “støjende” – de er tilbøjelige til fejl – så det at forbinde tusindvis af uperfekte qubits løser ikke magisk problemer, hvis disse qubits ikke kan opretholde kohærens. IEEE Spectrum bemærkede, at IBMs plan skal ledsages af et “intelligent softwarelag” til at håndtere fejl og orkestrere den hybride kvante-klassiske arbejdsbyrde spectrum.ieee.org. Faktisk kan en kraftfuld ny software-stak være “nøglen til at gøre noget brugbart” med en 4.000-qubit-processor, ved at håndtere fejlreduktion og fordele opgaver mellem kvantehardwaren og klassiske co-processorer spectrum.ieee.org. Kort sagt, det rå antal qubits er ikke alt – hvordan du bruger og kontrollerer disse qubits er mindst lige så afgørende.

Nogle brancheobservatører fremhæver også forskellen mellem fysiske qubits og logiske qubits. En logisk qubit er en fejlrettet qubit, reelt set en klynge af mange fysiske qubits, der arbejder sammen for at fungere som én meget pålidelig qubit. Eksperter vurderer, at det at bryde moderne kryptering (som de 2048-bit RSA-nøgler, der beskytter onlinesikkerhed) vil kræve omkring 4.000 fejlrettede logiske qubits – hvilket i praksis kan betyde millioner af fysiske qubits givet de nuværende fejlretningsomkostninger postquantum.com. Som en sikkerhedsanalytiker udtrykte det, “4.000 logiske qubits er ikke det samme som 4.000 faktiske qubits” – en fuldt fejlrettet kvantecomputer med tusindvis af logiske qubits er stadig en fjern drøm postquantum.com. IBMs 4.000+ qubit-maskine vil være langt fra det fejltolerante ideal; den vil bestå af fysiske qubits, der kræver smarte fejlreduktionsteknikker for at være brugbare. Forskere er hurtige til at påpege, at vi ikke skal forvente, at denne maskine for eksempel kan knække internetkryptering eller løse alle uløselige problemer fra den ene dag til den anden.

Når det er sagt, sætter IBMs aggressive køreplan dem foran mange konkurrenter i kapløbet om flest qubits, og nogle eksperter roser den modulære tilgang som en pragmatisk måde at skalere på. “Vi mener, at klassiske ressourcer virkelig kan forbedre, hvad du kan gøre med kvante og få mest muligt ud af den kvante-ressource,” bemærkede Blake Johnson, IBMs Quantum Platform-leder, og understregede behovet for orkestrering mellem kvante- og klassisk computing for at udnytte disse store systemer spectrum.ieee.org. Denne holdning deles bredt: fremtiden er “kvante-plus-klassisk” i samspil.

Konkurrerende visioner: IBM vs. Google, IonQ og andre

IBM er ikke alene i kvantekapløbet, men deres strategi adskiller sig fra andre store aktører. Google har for eksempel været mindre fokuseret på antallet af qubits på kort sigt og mere på at opnå en fuldt fejlkorrekt kvantecomputer. Googles køreplan sigter mod at realisere en brugbar, fejlkorrekt kvantemaskine inden 2029, og virksomheden har løbende arbejdet på at demonstrere logiske qubits og fejlreduktion frem for at forsøge at slå rekorder i antallet af qubits thequantuminsider.com. (Googles nuværende enheder, såsom den 72-qubit Bristlecone eller nyere versioner af deres 53-qubit Sycamore, har langt færre qubits end IBMs, men Google har for nylig vist, at det at øge antallet af fysiske qubits i en logisk qubit kan reducere fejlraten, et lovende skridt mod skalerbarhed thequantuminsider.com.) I offentlige udtalelser forudser Googles ledelse en tidshorisont på 5–10 år, før kvantecomputere begynder at få reel betydning thequantuminsider.com. Så mens IBM stormer mod en 4.000-qubit prototype, spiller Google det lange spil for at opnå en fuldt fejltolerant kvantecomputer, selvom de kun har dusinvis af qubits på kort sigt.

Quantinuum (virksomheden dannet af Honeywell og Cambridge Quantum) er en anden sværvægter, men følger en anden teknologisk vej: ionefangede qubits. Quantinuum jagter ikke tusindvis af fysiske qubits med det samme – deres nyeste ionefælde-system har omkring 50–100 qubits med høj fidelitet – men de har demonstreret rekordhøj kvantevolumen (et mål for den samlede kapabilitet) og har endda skabt 12 “logiske” qubits via fejlkorrigering i 2024 thequantuminsider.com. Quantinuums køreplan sigter mod fuldt fejltolerant kvantecomputing inden 2030, og virksomheden lægger vægt på at opnå “tre 9’ere” i fidelitet (99,9% pålidelighed) og gennembrud med logiske qubits som milepæle thequantuminsider.com. Deres CEO, Rajeeb Hazra, argumenterer for, at kvalitet og fremskridt inden for fejlkorrigering vil åbne et “billion-dollar marked” for kvante, og hævder, at Quantinuum har “branchens mest troværdige køreplan mod… fejltolerant kvantecomputing” thequantuminsider.com. Sammenfattende er Quantinuums fokus at perfektionere qubits og fejlkorrigering, selvom det betyder færre qubits for nu – i kontrast til IBMs store satsning på opskalering og støjreduktion gennem afhjælpning.

En anden vigtig konkurrent, IonQ, bruger også fanget-ion-teknologi og lægger ligeledes vægt på qubit-kvalitet. IonQ’s ledelse fremhæver ofte “algoritmiske qubits” – en intern måleenhed, der tager højde for fejlrater og konnektivitet – frem for det rene antal fysiske qubits thequantuminsider.com. IonQ’s køreplan sigter mod “bred kvantefordel inden 2025,” men gennem gradvist at forbedre ydeevnen af deres qubits og bygge modulære, rack-monterede ionfælde-systemer, ikke ved at nå et specifikt højt qubit-antal thequantuminsider.com. Faktisk forventer IonQ kun at skulle bruge et par dusin højkvalitetsqubits for at overgå langt større støjende kvantecomputere på visse opgaver. Den tidligere CEO Peter Chapman forudsagde, at IonQ’s teknologi “vil være afgørende for kommerciel kvantefordel,” og fremhævede specifikt algoritmiske qubits frem for fysiske antal som nøglen til nyttige anvendelser thequantuminsider.com. Denne filosofi understreger en debat i feltet: Er kvantecomputing et “numbers game” (flere qubits hurtigere) eller et “quality game” (bedre qubits, selvom det går langsommere med skalering)? IBM satser på antal (med fokus på kvalitet også), mens IonQ klart prioriterer kvalitet først.

Så er der Rigetti Computing, en mindre aktør inden for superledende qubits. Rigettis køreplan har været ramt af forsinkelser – de havde håbet at nå 1.000 qubits via multi-chip-moduler i 2024, men i praksis er deres systemer stadig på titals qubits. Fra midten af 2025 sigter Rigetti mod et mere beskedent 100+ qubit-system ved udgangen af 2025 thequantuminsider.com, med fokus på at forbedre fidelitet og to-qubit-gate-ydeevne undervejs. Virksomheden har haft svært ved at følge med IBMs hurtige skalering, hvilket illustrerer, hvor udfordrende det er for nye aktører at matche IBMs ressourcer og ekspertise på dette område. Alligevel bidrager Rigetti og andre til innovation (for eksempel var Rigetti pioner inden for nogle tidlige multi-chip-integrationsteknikker), og de understreger, at IBMs føring ikke er uindtagelig, hvis der opstår fundamentale gennembrud (som bedre qubit-designs eller materialer).

Det er også værd at nævne D-Wave Systems i denne sammenhæng. D-Wave, et canadisk firma, har kvante-annealing maskiner (en anden model for kvantecomputere) med over 5.000 qubits i dag thequantuminsider.com. Dog er D-Waves qubits designet til at løse optimeringsproblemer via annealing, ikke til generelle kvantealgoritmer. De opnår høje qubit-tal gennem en specialiseret arkitektur, men disse qubits kan ikke køre vilkårlige kvantekredsløb som IBMs eller Googles enheder kan. D-Waves CEO, Alan Baratz, har bemærket, at deres teknologi allerede leverer værdi i visse applikationer (som optimering af detailhandels-skemaer eller telekommunikations-routing) thequantuminsider.com. Eksistensen af et 5.000-qubit D-Wave-system er en påmindelse om, at ikke alle qubits er ens – D-Waves qubits er nyttige til specifikke opgaver, men ikke direkte sammenlignelige med gate-baserede kvantecomputer-qubits. IBMs mål om 4.000+ qubits refererer til universelle, gate-baserede qubits, hvilket er en langt større udfordring i forhold til kompleksitet og kapabilitet.

Sammenfattende skiller IBM sig ud ved aggressivt at skalere superledende qubit hardware og sigte mod at integrere det med klassisk computing på kort tid. Google fokuserer på fejlkorrigeringsmilepæle, Quantinuum og IonQ fokuserer på qubit-fidelitet (med færre qubits på kort sigt), og firmaer som Rigetti halter bagefter med mindre enheder. Hver tilgang har sine fordele. Hvis IBM lykkes, vil det sætte en høj standard for qubit-tal og muligvis opnå kvantefordel i nyttige opgaver hurtigere. Men hvis qubits er for støjende, kan de 4.000 qubits ikke overgå en konkurrents 100 fremragende qubits. De næste par år bliver et fascinerende kapløb mellem forskellige filosofier inden for kvantecomputing – og det er ikke givet, at flere qubits altid vinder, medmindre det kombineres med kvalitet og smart software.

Hvorfor 4.000 qubits? Potentielle anvendelser og udfordringer

Hvad kunne en 4.000-qubit kvantecomputer rent faktisk gøre, hvis den virker som tiltænkt? Til sammenligning har nutidens kvantecomputere (med snesevis eller få hundrede qubits) endnu ikke klart overgået klassiske computere på noget praktisk problem. IBM og andre mener, at ved at presse op i tusindvis af qubits, vil vi komme ind i zonen, hvor nyttig kvantefordel bliver mulig for visse typer problemer tomorrowdesk.com. Her er nogle anvendelser og effekter, et 4.000-qubit system kunne åbne op for:

• Kemi og materialvidenskab: Kvantecomputere er særligt velegnede til at simulere molekylære og atomare systemer. Selv de største klassiske supercomputere har svært ved præcist at modellere adfærden af komplekse molekyler og kemiske reaktioner. IBM-forskere påpeger, at “få felter vil få værdi af kvantecomputing lige så hurtigt som kemi,” fordi kvantemaskiner naturligt kan håndtere den kvantemæssige natur af kemiske interaktioner ibm.com. Et system med 4.000 qubits kunne potentielt simulere mellemstore molekyler eller nye materialer med høj nøjagtighed – hvilket kan hjælpe med opdagelse af lægemidler, udvikling af nye materialer (til batterier, gødning, superledere osv.) og forståelse af komplekse kemiske processer. Dette er problemer, hvor klassiske metoder støder på en mur på grund af eksponentiel kompleksitet. IBM forventer, at kvantecomputere i 2025 vil begynde at udforske nyttige anvendelser inden for naturvidenskab som kemi ibm.com.
• Optimering og finans: Mange virkelige problemer – fra logistik i forsyningskæder til porteføljeoptimering – handler om at finde den bedste løsning blandt astronomisk mange muligheder. Kvantecomputere, med algoritmer som QAOA eller kvanteannealing-teknikker, tilbyder nye måder at angribe visse optimeringsproblemer på. En maskine med tusindvis af qubits kunne håndtere større problemstillinger eller levere mere præcise løsninger end nuværende enheder. IBMs CEO Arvind Krishna har foreslået, at kvantecomputing vil muliggøre nye algoritmer til optimering, som virksomheder kan udnytte, og som potentielt kan blive en vigtig konkurrencefordel for brancher som finans, energi og produktion thequantuminsider.com. Et 4.000-qubit system kunne for eksempel tage fat på komplekse risikoberegnings- eller ruteoptimeringsproblemer, som klassiske algoritmer ikke kan løse inden for rimelig tid.
• Maskinlæring og AI: Der er voksende forskning i kvantemaskinlæring, hvor kvantecomputere måske kan accelerere visse typer maskinlæringsopgaver eller tilbyde nye modelleringsmuligheder. Med tusindvis af qubits kunne kvantecomputere begynde at implementere kvanteneurale netværksmodeller eller udføre hurtigere lineær algebra-underprogrammer, som ligger til grund for ML-algoritmer. IBM ser specifikt på maskinlæring som en test-case for kvanteapplikationer – og forventer, at kvantecomputere i 2025 vil blive brugt til at udforske maskinlæringsanvendelser sammen med klassisk ML, hvilket muligvis kan forbedre, hvordan vi genkender mønstre i data eller optimerer ML-modeller ibm.com. Et praktisk eksempel kunne være kvanteforbedret feature selection eller clustering på komplekse datasæt, som kunne blive hurtigere med kvanteunderprogrammer.
• Videnskabelig forskning og “Grand Challenges”: Ud over målrettede industrier vil en kvante-supercomputer med 4.000 qubits være en gevinst for grundforskningen. Den kunne bruges til at simulere scenarier inden for højenergifysik, optimere design af kvantematerialer eller endda undersøge spørgsmål inden for kryptografi og matematik. IBM har nævnt naturvidenskaberne bredt – for eksempel kunne problemer inden for fysik eller biologi, som i øjeblikket er uløselige, måske give efter for en hybrid kvantetilgang ibm.com. Tænk på at designe katalysatorer til kulstoffangst eller analysere kvantesystemer i kernefysik – dette er ekstremt komplekse beregninger, hvor en kvantecomputer måske kan give nye indsigter. IBMs egne forskere har peget på anvendelser inden for kemi, optimering og maskinlæring som tidlige mål for kvantefordel ibm.com.

Det er det strålende løfte – men hvad med udfordringerne? En kvantecomputer med 4.000 qubits vil stå over for alvorlige forhindringer:

• Støj og fejlrater: Dagens qubits er fejlbehæftede; de dekohererer (mister deres kvantetilstand) inden for mikrosekunder, og operationer (“porte”) mellem qubits er ikke perfekte. Med blot 50-100 qubits kan kvantealgoritmer kun køre en meget kort sekvens af operationer, før fejlene overtager resultatet. Hvis du har tusindvis af qubits, mangedobles udfordringen med støj. Faktisk kan det at forbinde tre chips (som IBM planlægger) introducere endnu flere fejl på grund af lidt langsommere, mindre pålidelige operationer mellem chips ibm.com. IBM anerkender dette og udvikler System Twos software til at være “bevidst” om arkitekturen – for eksempel til at planlægge kritiske operationer på samme chip og håndtere de langsommere operationer mellem chips omhyggeligt ibm.com. Uden fejlkorrigering (som ikke vil være fuldt implementeret i 2025), vil IBM være afhængig af fejlreduktion: smarte tricks til at mindske fejlens indvirkning. Dette inkluderer teknikker som probabilistisk fejlkansellering, hvor man bevidst introducerer ekstra støj for at lære om støjen og derefter klassisk efterbehandler resultaterne for at annullere fejl spectrum.ieee.org. Disse metoder er beregningstunge og ikke perfekte, men IBMs forskning antyder, at nogle kan skaleres op til enheder af denne størrelse spectrum.ieee.org. Alligevel er håndtering af støj det centrale problem – det er grunden til, at kvantecomputere endnu ikke har løst virkelige problemer, og en maskine med 4.000 qubits vil kun få succes, hvis IBM kan holde fejlene nede nok til at udføre dybe beregninger.
• Fejlkorrektion & logiske qubits: Den langsigtede løsning på støj er kvantefejlkorrektion (QEC), som vil gruppere mange fysiske qubits til én logisk qubit, der kan overleve fejl. IBMs 4.000-qubit-system vil sandsynligvis stadig operere i “NISQ”-regimet (Noisy Intermediate-Scale Quantum), hvilket betyder, at der endnu ikke er nogen storskala fejlkorrektion – der vil simpelthen ikke være nok qubits til at fejlrette alle 4.000 fuldt ud. (Til sammenligning kan det at omdanne selv et par tusinde fysiske qubits til en håndfuld logiske qubits forbruge hele maskinen.) IBM lægger dog fundamentet for fejlkorrektion. Virksomheden har aktivt forsket i nye QEC-koder (for eksempel en kvante-LDPC-kode, der er mere qubit-effektiv end traditionelle overfladekoder) og hurtige fejldekodere thequantuminsider.com. Faktisk har IBM for nylig udvidet sin roadmap til 2033, hvor de eksplicit prioriterer forbedringer i gate-kvalitet og udviklingen af fejlrettede moduler efter 2025 newsroom.ibm.com. Supercomputeren med 4.000 qubits kan ses som en bro: den er tænkt som stor nok til at kunne udføre nogle nyttige ting med fejlafhjælpning, samtidig med at IBM lærer, hvordan man implementerer delvis fejlkorrektion i stor skala. IBM har endda annonceret en plan for en prototype af en fejltolerant kvantecomputer inden 2029 hpcwire.com, hvilket indikerer, at fejlkorrektion er meget på deres dagsorden, når 4.000-qubit-mærket er nået. Alligevel vil det at opnå fuldt fejlrettede (logiske) qubits kræve størrelsesordener flere qubits eller meget bedre qubit-fidelitet – sandsynligvis en kombination af begge dele.
• Software og udviklerværktøjer: Selv hvis du har en kvantecomputer med 4.000 qubits, har du brug for software, der effektivt kan udnytte den. Kvantealgoritmer skal kortlægges til denne komplekse multi-chip hardware. IBM adresserer dette med værktøjer som Qiskit Runtime og Quantum Serverless-arkitektur. Disse gør det muligt for en bruger at opdele et problem i mindre kvantekredsløb, køre dem parallelt på forskellige kvantechips og samle resultaterne med klassisk databehandling ibm.com. For eksempel er “circuit knitting” en sådan teknik, som IBM fremhæver – hvor et stort kredsløb deles op i stykker, der passer på mindre processorer, og resultaterne derefter kombineres klassisk ibm.com. I 2025 planlægger IBM at have funktioner som dynamiske kredsløb (hvor måleresultater kan påvirke fremtidige operationer i realtid) og indbygget fejlsuppression kørende på deres cloud-platform ibm.com. Udfordringen bliver at gøre alt dette udviklervenligt. IBM ønsker, at kvantecomputing skal være tilgængelig, så data scientists og domæneeksperter (ikke kun kvante-PhD’er) kan udnytte de 4.000 qubits ibm.com. At opnå en god abstraktion – hvor en bruger for eksempel kan kalde en højniveaufunktion for at simulere et molekyle, og systemet selv finder ud af, hvordan de 4.000 qubits skal bruges – vil være afgørende for praktisk anvendelighed. IBMs tilgang her er konceptet om quantum middleware og en “app store” af kvanteprimitiver: forudbyggede funktioner til almindelige opgaver som sampling af sandsynlighedsfordelinger eller estimering af egenskaber ved systemer ibm.com. Hvis det lykkes, behøver en kemiker i 2025 måske ikke kende hardwarens detaljer; de kan blot bruge IBMs software til at udnytte kraften fra de 4.000 qubits til deres simulering.
• Fysisk infrastruktur: At skalere til tusindvis af qubits er ikke kun en beregningsmæssig udfordring, men et ingeniørmaraton. Kvanteprocessorer skal nedkøles til millikelvin-temperaturer – koldere end det ydre rum. IBM måtte designe et nyt fortyndingskøleskab (IBM Quantum System Two), der er større og mere modulært end de tidligere, for at kunne rumme flere chips og al deres styreledningsføring techmonitor.ai. Køleskabet, elektronikken og kablingen bliver mere og mere komplekse, jo flere qubits man tilføjer. Tusindvis af qubits betyder tusindvis af mikrobølge-styrelinjer, sofistikeret filtrering for at forhindre varme og støj i at lække til qubitsene, og enorme datamængder fra qubit-aflæsninger. IBMs ingeniører har sammenlignet kompleksiteten ved at skalere kvantesystemer med de tidlige supercomputere eller rumfartsmissioner. I 2025 forventer IBM at have “fjernet de vigtigste barrierer for skalering” via modulært hardware og tilhørende styreelektronik ibm.com – men det er værd at bemærke, at IBM først nu rammer disse barrierer. System Two i New York er i bund og grund en prototype til at håndtere denne kompleksitet newsroom.ibm.com. IBM installerer også et System Two i Europa (i partnerskab med den baskiske regering i Spanien) inden 2025 tomorrowdesk.com, hvilket vil teste, hvordan denne banebrydende infrastruktur kan kopieres uden for IBMs eget laboratorium. Succesen med disse installationer vil være et vigtigt bevis på, at rørføringen og ledningsnettet i en kvantesupercomputer kan gøres pålideligt og vedligeholdelsesvenligt.

I lyset af disse udfordringer dæmper eksperter hypen ved at påpege, at en 4.000-qubit IBM-maskine sandsynligvis vil være et højt specialiseret værktøj. Den kan måske overgå klassiske supercomputere på specifikke problemer (kvantekemiske simuleringer, visse optimeringer eller maskinlæringsopgaver som nævnt), opnå kvantefordel eller endda glimt af kvanteoverlegenhed i nyttige sammenhænge. Dog vil den ikke øjeblikkeligt gøre klassiske computere forældede. Faktisk vil klassiske supercomputere og GPU’er for mange opgaver stadig være hurtigere eller mere praktiske. IBMs egen køreplan anerkender denne synergi: kvantesupercomputeren er tænkt som et supplement til klassisk HPC, hvor hver gør det, de er bedst til tomorrowdesk.com. Så vi bør se 4.000-qubit-systemet som en af de første ægte “kvanteacceleratorer” – noget man bruger sammen med klassisk databehandling til at løse de virkelig svære problemer, som klassiske maskiner alene ikke kan knække. Det er et betydeligt skridt mod den ultimative drøm om fejltolerant kvantecomputing, men det er ikke den endelige destination.

Vejen frem: IBMs kvantekøreplan efter 2025

IBMs supercomputer med over 4.000 qubits er en stor milepæl, men det er en del af en længere køreplan, der strækker sig ind i 2030’erne. IBM har offentligt udtalt, at de i 2025, med denne kvantecentriske supercomputer på plads, vil have “fjernet nogle af de største forhindringer for skalering af kvantehardware” ibm.com. Men udviklingen stopper ikke der. I 2025 og fremover vil IBMs fokus i stigende grad skifte til skalering med kvalitet – forbedring af qubit-fidelitet, fejlkorrigering og kompleksiteten af de kredsløb, der kan køres.

Faktisk opdaterede IBM ved udgangen af 2023 sin Quantum Development Roadmap helt frem til 2033. Et centralt mål: omkring 2026–2027 at introducere fejlkorrigerede kvanteoperationer på deres systemer, og bevæge sig mod “avancerede fejlkorrigerede systemer” senere i årtiet newsroom.ibm.com. IBM prioriterer forbedringer i gate-fidelitet (reduktion af fejlrater), så større kvantekredsløb (med tusindvis af operationer) bliver mulige newsroom.ibm.com. Dette antyder, at når qubit-mærket er nået, vil IBM satse endnu mere på at gøre hver qubit bedre og gradvist integrere fejlkorrigering. Et konkret eksempel er IBMs arbejde med nye fejlkorrigerende koder som Quantum LDPC-koder og hurtigere dekoder-algoritmer, der har til formål at håndtere fejl mere effektivt end nutidens surface codes thequantuminsider.com. Der tales også om en IBM-processor med kodenavnet “Loon” omkring 2025, som skal teste komponenter til en fejlkorrigeret arkitektur (såsom moduler til at forbinde qubits for en specifik QEC-kode) hpcwire.com. I 2029 håber IBM at bygge en demonstrerbar fejltolerant kvanteprototype, hvilket flugter med konkurrenter som Google om det ultimative målhpcwire.com.

På hardware-fronten vil IBM sandsynligvis fortsætte deres fugle-tema processor-serie ud over Kookaburra. Køreplanen efter 2025 er ikke fuldt offentlig, men IBM har antydet, at de vil udforske endnu større multi-chip systemer og måske hybride teknologier. For eksempel indebærer IBMs vision om en kvantecentrisk supercomputer til sidst kvantekommunikationsforbindelser, der kan forbinde klynger af chips over afstand, ikke kun i samme køleskab newsroom.ibm.com. Vi kan måske se IBM inkorporere optiske fiberforbindelser eller andre metoder til at forbinde kvanteprocessorer i forskellige kryostater – svarende til et kvante-lokalt netværk. Dette vil bane vejen for titusinder eller endda millioner af qubits på længere sigt, hvilket IBM anerkender vil være nødvendigt for at løse de sværeste problemer (og udføre fuld fejlkorrigering) newsroom.ibm.com, insidehpc.com. Med IBMs egne ord bør deres modulære og netværksbaserede tilgang muliggøre skalering til “hundredtusinder af qubits” over tid newsroom.ibm.com. 4.000-qubit systemet er i bund og grund den første udgave af en kvante-supercomputerarkitektur, der kan vokse ved at forbinde flere moduler.

IBMs bredere køreplan involverer også at udvide kvante-økosystemet. Virksomheden investerer i uddannelse, partnerskaber og cloud-adgang, så der er et fællesskab klar til at bruge hardwaren, når den er klar. For eksempel har IBM indgået partnerskaber med nationale laboratorier, universiteter og endda regionale regeringer (som i Japan, Korea, Tyskland og Spanien) for at huse kvantesystemer og fremme lokal udvikling. Planen om at implementere Europas første IBM Quantum System Two i Spanien inden 2025 tomorrowdesk.com er en del af denne strategi – at få flere folk til at arbejde praktisk med avanceret kvantehardware. IBMs ledelse forudser, at kvantecomputing vil blive en afgørende forretningsdifferentiering i de kommende år thequantuminsider.com, og de ønsker at være i centrum af den fremvoksende kvanteøkonomi.

Afslutningsvis repræsenterer IBMs kvante-supercomputerprojekt med over 4.000 qubits et historisk spring i skala for kvantecomputing. Hvis det lykkes, vil det markere overgangen fra isolerede, eksperimentelle kvanteprocessorer til netværksforbundne kvantesystemer, der nærmer sig grænsen for praktisk anvendelighed. Dette projekt befinder sig i krydsfeltet mellem banebrydende fysik, ingeniørkunst og datalogi. Det er lige så meget en softwarepræstation som en hardwarepræstation, og kræver nye måder at styre og programmere en helt ny type supercomputer på. Verden følger nøje med – ikke kun for det rekordstore antal qubits, men for om IBM kan demonstrere nyttige resultater med denne maskine, der overgår, hvad klassiske computere kan.

Midt i 2025 står IBM på tærsklen til denne bedrift: hardwaredesignet er stort set på plads, de første prototyper kører, og virksomheden kæmper for at integrere det hele til en funktionel supercomputer. Succes er ikke garanteret, men momentum og fremskridt indtil nu er ubestridelige. Selv konkurrenter og skeptikere vil være enige i, at IBM dramatisk har rykket feltet fremad. Mens vi venter på den fulde debut af IBMs kvante-supercomputer, står én ting klart – vi træder ind i et nyt kapitel i computerens historie. Som IBM selv har udtalt, er den kommende kvantecentriske supercomputer klar til at blive “en essentiel teknologi for dem, der løser de sværeste problemer, dem, der laver den mest banebrydende forskning, og dem, der udvikler den mest avancerede teknologi” insidehpc.com.

De næste par år vil vise, om det løfte bliver indfriet, men hvis IBMs satsning lykkes, kan 4.000 qubits virkelig ændre computing for altid – åbne døren for løsninger på problemer, vi engang troede var umulige, og varsle begyndelsen på kvantecomputerens tidsalder.

Kilder:

• IBM Newsroom: IBM Quantum roadmap og planer for 4.000+ qubit-system newsroom.ibm.com
• IBM Research Blog: Quantum roadmap-opdatering for kvantecentrisk supercomputing (2024) ibm.com
• IBM Quantum Summit 2023 Pressemeddelelse newsroom.ibm.com
• TechMonitor: IBM lancerer kvante-supercomputer, der kan nå 4.000 qubits inden 2025 techmonitor.ai
• IEEE Spectrum: IBMs mål: en 4.000-qubit-processor inden 2025 (analyse af køreplan og udfordringer) spectrum.ieee.org
• InsideHPC: IBM ved Think 2022 – kvantecentrisk supercomputing-vision insidehpc.com
• The Quantum Insider: Køreplaner for kvantecomputing hos de største aktører (IBM, Google, IonQ, osv.) thequantuminsider.com
• TomorrowDesk: Oversigt over IBMs mål om kvante-supercomputer i 2025 og modulært design tomorrowdesk.com
• Post-Quantum (brancheblog): Om antallet af qubits der kræves for at bryde RSA-2048-kryptering postquantum.com
• TechMonitor: Citater fra IBMs Dr. Darío Gil og IBM Quantum Network-statistikker techmonitor.ai